基于AT89S52單片機控制的運料機器人設計

◎ 張陽利

（鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450041）

隨著電子科技的發展，新的自動機器人產品不斷生產，極大地提高了勞動生產效率，減輕了工人的勞動。在食品的工業化規模化生產中，會涉及大量的原材料，如果能實現原材料的自動運料，將大大縮短生產周期，解放更多的勞動力，降低生產成本。基于此目的，設計了一種智能式運料機器人，此機器人運用AT89S52單片機控制。本文將對運料機器人的任務設計、方案設計、模塊設計、系統硬件設計以及軟件設計5個階段進行簡要的分析介紹[1-2]。

1 設計任務

智能運料機器人是根據光電傳感器檢測周圍環境，通過驅動、傳動和導向執行元件配合，從而實現從啟動小車→黑白尋跡→進入迷宮和避障→按規定路線行駛→運料→運動翻轉作業→卸料的自動化。

2 總體方案設計

圖1 總體設計方案功能圖

采用AT89S52單片機作為控制單元，AT89S52是一種低功耗、高性能的微控制器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，可為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活、有效的解決方案。可對以下幾個系統進行控制：尋跡避障系統、電機驅動、儀表顯示、電源控制、速度控制和信號的轉換等[3]。總體方案功能如圖1所示。總體方案設計如圖2所示。

圖2 總體方案設計圖

3 模塊設計

3.1 行走方案確定

小車的行走可以采用履帶式小車、輪子式小車或支腿式小車。考慮設計原則和功能，采用輪子式小車為行走方案比較合理。既可以有很好的轉向，其結構也相對簡單。根據環境特點，需要采用3輪結構，一個萬向輪做從動輪，其余兩個并排的輪做驅動輪，以實現靈活轉向。

3.2 電機的設計

電機可以采用直流電機，也可以采用同步交流電機。根據電源配置，選用普通直流電機較為合適，直流電機能實現直流電能和機械能互相轉換，具備良好的調速性能，利于運料機器人的啟動和制動[4]。

3.3 電機驅動方案的選擇

電機驅動采用橋式電路。單片機很好控制晶體管的截止和導通，以選擇接通電機電路，實現電機運轉和停止。步進電機控制電路如圖3所示。

3.4 供電電源方案的確定

供電電源可以采用兩個電源，一路是給電機直接供電，另一路是給控制電路供電。也可以用一個電源，分為兩路分別給電機和控制電路供電。為了減輕智能機器人的質量，本設計采用一個電源。

3.5 路面情況檢測方案的確定

圖3 L298電機控制電路圖

路面的檢測可以采用兩種傳感器。一種是聲波傳感器，采用雷達系統，實現聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應用。另一種是光電傳感器，采用發光二極管做光源，光敏二極管接受信號。前一種會影響接受速度，也有自然光的干擾。因此本設計采用光電式傳感器，發射和接收紅外射線，這種傳感器的優勢在于反應靈敏且干擾小，電路簡單[5]。

3.6 障礙物探測方案的設計

采用紅外線發射接收裝置。紅外線發射裝置是一種遙控設備，具有遙控功能，它通過紅外線發射管在一定范圍內向外發射光線，從而達到控制信號的作用。

3.7 運料作業機構方案的設計

采用偏心輪四桿機構。電機力矩較大，具有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好以及力矩波動小等特點，且易于控制。運料機構如圖4和圖5所示。

圖4 四連桿翻斗機構圖

圖5 運斗機構在小車上的布置圖

4 系統硬件設計

4.1 路面黑線檢測的設計與實現

4.1.1 黑白線探測

路面的檢測通過光電傳感器實現。黑白線傳感器的有效檢測距離為5～10 cm。具有自然光干擾小，信號處理簡單的優點。另外可以增加調節距離的裝置，提高測量精度。

4.1.2 黑白線循跡方案

在AT89S52單片機上連接P3.5和P2.0兩個端口，并分別連接一個發光二極管。兩個發光二極管布置在運料小車的底盤下端，左右各一個，呈一定角度分開。當發光二極管發出紅外線后，照射到白線后會被反射回來，被光敏二極管接收到，輸出一個低電平信號。同樣當紅外線照射到黑線后，由于光線被黑線吸收不能返回，接收管不能收到信號，于是輸入一個高電平。經過AT89S52單片機的信息處理，使運料小車沿規定路線行駛。

4.2 電動機驅動電路設計與實現

電動機驅動電路采用集成電路芯片L298。

L298的控制：VS作為電源輸入，VSS為控制電源信號輸入，為+5 V電壓，IN1-IN4四個引腳控制H橋的通斷，采用標準TTL邏輯電平信號。集成電路采用塑料封裝，SGB公司制造。表1為L298控制表。Multiwatt15如圖6所示。

圖6 Multiwatt15引腳圖和封裝圖

表1 L298控制表

5 軟件設計

迷宮避障設計的控制如圖7所示，黑白尋跡控制如圖8所示。

圖7 迷宮避障流程圖

圖8 黑白尋跡流程圖

6 結語

按照設計思路，經過任務設計、方案設計、模塊設計、系統硬件設計、軟件設計以及購買零部件組裝等一系列工序，完成了AT89S52單片機控制的智能式機器人的制作。對智能機器人的功能進行測試，均能正常運行，改變程序中的電阻值大小，可以改變小車運行速度，實現運料機器人在正確路線上的運輸行駛和翻斗卸料作業。

當前使用機器人代替人力已成為生產趨勢，相比人力，機器人能提高生產效率，運料機器人將在制造業的生產線中大顯身手，高效、準確、靈活地完成物料的搬運。因為搬運機器人的并行作業、自動化、智能化和柔性化的特性能夠很好地滿足一般場合的搬運要求，相信以后會得到大范圍推廣。